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Moteur triphasé asynchrone synchronisé.
On a mis au point depuis quelques temps des aciers à aimant,, constitués par des alliages, dont la rémanence et la force coercitive sont élevées. Ces aciers sont connus sous le nom d'aciers à aimant à trempe par ségrégation. On utilise par exemple l'aluminium ou le titane comme produit d'addition essentiel pour la qualité élevée de l'acier à aimant, La découverte de ces aciers a permis de construire des génératrices électriques à champ magnétique permanent,, de telle sorte qu'on épargne la puissance d'excitation électrique.
Selon la présente invention, les aciers à aimantation permanente de ce genre doivent être-utilisés pour la partie des moteurs à champ tournant asynchrones synchronisés
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qui assure l'excitation (rotor), afin de compenser au moins partiellement le courant magnétisant du moteur à champ tournant. Un moteur de ce genre doit démarrer normalement. Le champ tournant produit par l'enroulement statorique tourne pendant ce temps, par conséquent à partir de la position arrêtée et pendant toute la période de démarrage et d'accélération à une vitesse inférieure à la vitesse synchrone autour du rotor constitué par un aimant permanent et inverse constamment son aimantation. Le magnétisme rémanent éventuel et initial est ainsi détruit.
La fig. 1 du dessin joint représente un moteur de ce genre dans lequel le rotor est en acier à aimant à forte rémanence et à force coercitive considérable. Le rotor est représenté sous la forme d'un simple tambour cylindrique sur le pourtour duquel se forment les pôles magnétiques. La fig. 2 représente une série de caractéristiques magnétiques de ce rotor. Comme au démarrage on atteint en général d'abord une intensité modérée et ensuite seulement et en pleine marche une intensité élevée du champ magnétique principal, ces caractéristiques sont coupées d'une manière continue de l'intérieur vers l'extérieur.
Quand le démarrage est achevé, le moteur atteint la vitesse synchrone parce que les pôles du rotor ont justement tendance, en raison de la permanence ou stabilité des propriétés magnétiques de son fer, à se maintenir à leur place et de ne pas glisser par rapport au rotor. Si le champ dans l'entrefer ou sa force électromotrice a atteint à la fin du démarrage la valeur E, le moteur travaille avec ses pôles, au point de vue magnétique, au point P. Il exige pour cela une intensité magnétisante i qui doit être fournie par le stator et par le réseau. Malgré l'utilisation d'un acier à aimant d'une qualité aussi bonne que possible, le courant magnétisant du moteur n'est donc compensé que partiellement.
Mais si on réduit alors la tension de fonctionnement du moteur jusqu'à la valeur Et qui cor-
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respond au passage de la branche descendante de la caractéristique magnétique descendant de P par la valeur nulle du courant, un champ rémanent qui induit la tension E' so maintient par l'action de l'acier aimanté permanent du rotor. Le moteur peut donc fonctionner à cette tension avec compensation du courant magnétisant et il n'exige pas la fourniture de courant magnétisant de la part du réseau. Si on abaisse la tension encore davantage, par exemple jusqu'à la valeur E", le moteur fournit même un courant magnétisant d'une intensité i" au réseau et il peut donc compenser par exemple l'effet de ses propres fuites magnétiques.
Mais si on désire que le moteur fonctionne d'une façon permanente sous la tension E, on l'aimantera, d'après ce qui a été dit ci-dessus, à la fin du démarrage d'abord sous la tension Eo,, de valeur considérablement plus élevée, de façon qu'en revenant à la valeur de fonctionnement E, il n'ait plus besoin d'aucun courant magnétisant extérieur.
Il résulte de ces considérations cette règle pour la conduite d'un moteur triphasé compensé par des aimants permanents qu'il faut d'abord le magnétiser à l'excès dans une mesure telle que son champ puisse,' à la tension de fonctionnement désirée, redescendre à la valeur du champ rémanent ou à une valeur voisine. Cette suraimantation peut être obtenue facilement par des prises sur l'enroulement du moteur ou sur le transformateur d'alimentation, par branchement en étoile-triangle, ou par des combinaisons analogues à la fin de l'opération de démarrage.
Il se produit également une certaine suraimantation lorsqu'on commence par faire démarrer le moteur à vide et qu'on le charge ensuite, car dans la marche à vide, la pleine tension du réseau a pour effet de donner naissance à un champ dans le rotor, tandis que lorsque la chagge croît, les chutes de tension déterminées par les fuites et par la résistance viennent en déduction de la tension du réseau, de sorte que l'intensité
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du champ dans l'entrefer diminue .
Si, pendant son fonctionnement, le moteur devait perdre une partie de son champ rémanent par suite des vi- brations et ébranlements .mécaniques, il suffirait de l'ex- citer de nouveau pendant un court instant pour ramener l'in- tensité du champ à sa valeur maximum et de laisser le champ redescendre ensuite à la valeur du champ rémanent.
Pour faire démarrer de tels moteurs, dont le ro- tor est constitué par de l'acier aimanté permanent, on peut les munir de l'enroulement ordinaire à bagues ou en court- circuit. On peut également les munir d'un. -enroulement qui améliore les conditions de démarrage au moyen de courants de Foucault ou par effet pelliculaire.
Comme en général on utilise un rotor aimanté cylindrique ou constitué par un cylindre creux, il suffit quelquefois de munir ce tam- bour massif d'un revêtement de cuivre mince qui peut agir en même temps d'amortisseur des oscillations éventuelles en marche synchrone,
On utilisera pour le rotor un acier à grande for- ce coercitive et à rémanence modérée, ou à forte rémanence et à force coercitive modérée ou au contraire à forte réma- nence et à force coercitive élevée, suivant d'une part la valeur du rapport entre l'entrefer et le pas polaire du mo- teur, car c'est de ce rapport que dépend l'effet démagnéti- sant exercé sur l'acier permanent, et d'autre part suivant les prix de ces matériaux,
de telle sorte qu'on est obligé chaque fois de choisir la matière techniquement la plus appropriée et économiquement la plus indiquée suivant qu'il s'agit de moteurs à grande ou à faible puissance, à vitesse élevée ou faible et avec un rapport plus ou moins grand de la largeur de l'entrefer au pas polaire.
Si l'entrefer du moteur est relativement grand et le pas polaire relativement petit, il faut un acier aimanté de grande force coercitive afin de maintenir dans 1'air une
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force coercitive et à rémanence d'autant plus faible. Pour le choix de la matière en ce qui concerne la valeur de la rémanence et de la force coercitive, on se base de préférence sur les considérations suivantes.
Si on désigne par # le pas polaire du moteur et par ) la largeur de l'en- trefer, y compris les résistances magnétiques des dents et de la cale d'encoche, la loi fondamentale du magnétisme donne pour un pas polaire du moteur tel qu'il est représenté sur la fig.
3 l'expression suivante pour l'intégrale curviligne des forces magnétiques
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2B'= li H (1) Tt
La valeur du premier membre de cette équation est déterminée par l'induction B dans l'air pour laquelle on admet qu'elle se distribue d'une manière sinusoïdale sur le pourtour du rotor, et celle du second membre est déterminée par la force magnéto-motrice H que l'on considère également répartie d'une manière sinusoïdale dans le rotor, de sorte que seule sa valeur moyenne exerce son effet selon le facteur 2/#. B et H représentent donc l'induction maximum dans l'air et le champ maximum dans l'acier aimanté qui se produisent simultanément dans le rotor. Quand le rotor en acier permanent a une forme différente, le facteur numérique varie légèrement.
A chaque valeur désirée de l'induction dans l'air correspond d'après la relation (1) l'intensité nécessaire du champ : H = # #/# B .. été tracées les (2)
Sur la fige 4 ont été tracées les caractéristiques d'aimantation de trois aciers aimantés différents.
L'acier I a une rémanence de 10.000 gauss par exemple et une force coercitive de 60 oerstedt, l'acier II a une rémanence de 8. 000 gauss et une force coercitive de 190 oerstedt, et l'acier 111'une rémanence de 6. 000 gauss et une force coercitive de 450 oerstedt. Si on veut construire un moteur avec un grand entrefer de 1,5 mm et un pas polai-
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@ re de 10 cm, la relation entre H et B est d'après l'équa- tion (2) :
H = # 0,15/10 B = 0, 047 B. (3)
Cette relation est représentée sur la fig. 4 sous la forme de la courbe en traits interrompus A. On voit qu'on utilise à cet effet de préférence l'acier ainanté III qui permet dtatteindre une induction dans l'air de 4200.
Si le moteur n'a qu'un entrefer de 0,3 mm pour un pas polaire de 10 cm, on obtient : H = # 0,03/10 B = 0,0094 B, (4)
Ceci nous fournit la courbe B en traits interrom- pus. On obtient alors l'induction naximum de 6100 dans le moteur en utilisant l'acier aimanté II, tandis que les autres aciers donneraient une induction moindre dans l'air.
Si le moteur a enfin un entrefer de 0,3 mm avec un pas po- laire de 45 cm, on a :
H = # 0,03/45 B = 0,0021 B (5) et la courbe C en traits interrompus montre qu'on obtient dans ce cas les conditions les plus favorables en se ser- vant de l'acier I qui permet d'atteindre une induction dans l'air de 8300 gauss. Comme les matériaux à grande force coercitive sont en général plus coûteux que ceux de grande rémanence, il est avantageux d'exécuter les moteurs de ce genre avec un entrefer aussi faible que possible, et ceci est d'autant plus possible qu'en général on utilisera un rotor massif dont la surface est polie et qu'il est facile de faire tourner sans faux rond.
On peut représenter-par des formules les raison- nements qui viennent d'être faits relativement au principe du choix de l'acier. Si on désigne par R la rémanence et par K la force coercitive, la caractéristique de l'acier à aimantation permanente selon la fig. 4 s'exprime par la relation :
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B - R (1- ) (6)
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rectiligne tombante, mais en général la caractéristique a une concavité dirigée vers le bas. Si dans cette équation on remplace H par l'expression tirée de l'équation (2) du moteur, on obtient
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(7) On voit, d'après ces relations, qu'il importe, lorsqu'on veut obtenir dans le moteur une induction B élevée dans l'air, de réduire autant que possible le second terme du dénominateur de l'équation (7), la rémanence étant par elle-même aussi élevée que possible.
En général, on obtiendra une bonne utilisation de l'acier aimanté si la relation suivante est vérifiée :
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(8) Quand la pièce aimantée n'est pas rigoureusement cylindri- . que, il faut remplacer le coefficient # par un autre coefficient numérique. Mais ce produit se compose toujours de ces deux facteurs : rapport de l'entrefer équivalent à la longueur équivalente de l'aimant, et rapport de la rémanence à la force coercitive.
Si on choisit les conditions selon l'équation déterminante (8), soit par le choix d'un acier aimanté approprié, soit par l'exécution du moteur avec un petit entrefer ou un grand pas polaire, le champ rémanent dans le moteur est toujours supérieur à la moitié de la rémanence de l'acier permanent.
Comme toutes ces matières ont une surface d'hys- térésis relativement grande, le couple d'hystérésis de ces moteurs est très considérable. Il aide et accélère le démarrage très considérablement et provoque en marche normale un maintien des pôles dans la position qu'ils ont prise.
Pour contribuer à ce maintien, il peut être avantageux de munir le rotor en acier permanent de pôles saillants, car
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dans ce cas le couple de réaction produit par la différence de conductibilité magnétique entre les pôles et les intervalles polaires s'ajoute à ces forces de maintien.
On peut naturellement munir les moteurs de ce genre de tous les appareils et dispositifs favorables au démarrage et au fonctionnement, tels qu'on les utilise cou- ramment dans les moteurs triphasés synchrones et asynchrones ordinaires. On peut, par exemple, les faire fonctionner en monophasés en produisant par des artifices de couplage un champ magnétique polyphasé.
- : REVENDICATIONS : -
1 ) Moteur triphasé asynchrone synchronisé, caractérisé par le fait que son courant d'aimantation est compensé au moins partiellement par une partie du moteur (rotor) qui assure son excitation et qui est constituée en un acier aimanté permanent.